第十一章 液压系统的设计计算
§ 11— 1 明确设计要求,进行工况分析
§ 11— 2 拟定液压系统原理图
§ 11— 3 计算和选择液压元件
§ 11— 4 绘制工作图，编写技术文件
§ 11— 1 明确设计要求，进行工况分析一、明确设计要求二、工况分析一、明确设计要求液压系统是主机的配套部分，设计液压系统时首先要明确主机对液压系统提出的要求，
具体包括：
1、主机的动作要求这是指主机的哪些动作要求用液压传动来实现，这些动作间有无联系以及要不要完成一定自动循环等。主机可能对液压系统提出许多要求，设计这应在了解主机用途、工作过程和总体布局的基础上对这些要求做出分析。
2、主机的性能要求这是指主机内采用液压传动的各执行机构在力和运动方面的要求。各执行机构在各工作阶段所需的力和速度的大小、调速的范围、速度的平彻性以及完成一个循环的时间等方面都必须有明确的数据。现代化机械要求高精度、
高生产力以及高度自动化，这不仅要求其液压系统具有良好的静态指标，还常对其动态指标提出要求。
3、液压系统的工作环境工作环境的温度和湿度，污染和振动冲击情况以及是否有腐蚀性和易燃性物质存在等问题均应有明确答案。这涉及液压元件和介质的选用。必要时设计中还应附加防护措施。
4、其他要求如液压装置在重量、外形尺寸方面的限制以及经济性、能耗方面的要求等。
二、工况分析工况分析就是分析主机在工作过程中速度和负载的变化规律，即进行运动分析和负载分析。对于动作复杂的机械需绘制速度循环图和负载循环图，简单的系统可以不绘图，但需要找出其最大负载和最大速度点。实际上，工况分析是进一不明确主机在性能方面的要求。
1、运动分析根据工作要求，将主机各执行元件在一个完整的工作循环内各阶段的速度用图表示出来。一般用速度 — 时间（ v-t）或速度 — 位移
（ v-s）曲线表示，称为速度循环图。图 a为组合机床动力滑台的工作循环，图 b是速度 -位移
（ v-s）曲线。
工进快进快退启动 快进 减速 工进 制动制动 反向启动快退
(a)
(b)
2、负载分析根据工况要求，将执行元件在各阶段所需克服的负载用图表示出来。一般用负载 — 时间
（ F-t）或负载 — 位移（ F-s）曲线表示，称为负载循环图。
（ 1）液压缸的负载分析用液压缸带动主机执行机构作直线往复运动时，所需克服的外负载动力为：
FL=F+Ff=Fa
a.工作负载 F
不同机械的工作负载其形式各不同。对于金属切削机床，作用在运动部件运动方向上的切削力是工作负载；而对于提升机械，其重物的重量就是工作负载。工作负载可以是恒定的，
也可以是变化的；可能是正值负载，也可能是负值负载。
b.摩擦阻力负载 Ff
摩擦阻力负载是指主机执行机构在运动时所需克服的支承面上的摩擦力。
Ff=?Ni?i
式中 Ni— 作用在第 i个支承面上的法向力；
i— 该支承面的摩擦系数。
k
i=1
c,惯性负载 Fa
惯性负载是指运动部件启动或制动过程中的惯性力。可按牛顿第二定律计算：
Fa=ma=(G/g).(?v/?t)
液压缸运动时还需克服密封装置的摩擦阻力，其大小与密封形式、液压缸的制造质量和工作压力有关。
计算出工作循环中各阶段的外负载后，便可作出负载循环图。上述组合机床动力滑台的负载循环图如下。
启动 快进 减速 工进 制动快退制动反向制动组合机床滑台负载循环图
（ 2）液压马达负载分析以液压马达为执行元件时，液压马达需克服的外负载为：
ML=M+Mf+Ms
式中 M— 工作负载折合到液压马达上的力矩；
Mf— 执行机构等的摩擦力折合到液压马达上的力矩；
Ms— 执行机构、运动装置和液压马达等在启动和制动时的惯性力折合到液压马达上的力矩的总和。
3、执行元件容量的确定
（ 1）选定工作压力工作压力的选定关系到设计出和系统是否经济合理；工作压力低，则要求执行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系统所需流量也大；
压力过高，则对元件的制造精度和系统的使用维护要求提高，并使容积效率降低。一般是根据机械的类型来选择工作压力。
（ 2）液压缸有效面积的确定从满足负载力的要求出发
A=FL/?cmp
当工作速度很低时，按上式计算出的工作面积不一定能满足最低稳定速度的要求，因此应按最低运动速度来进行验算，即液压缸的有效工作面积应满足下式：
A?Qmin/vmin
如验算结果不能满足要求，则液压缸有效工作面积按上式选取。
（ 3）液压马达每转排量的确定从满足负载力矩的要求出发
q=2?ML/p.?Mm
必要时，也需按最低转速要求进行验算，即
q?Qmin/nmin
4.绘制液压执行元件工况图应绘制的液压执行元件工况图包括压力循环图、流量循环图以及功率循环图。根据负载循环图，将各阶段的负载除以液压缸的面积或液压马达的容量，即可作出流量循环图。在根据 N=pQ可绘制出功率循环图。组合机床动力滑台液压缸的工况图如图。
组合机床执行元件工况图工况图的作用如下：
（ 1）可以很方便地找出最高压力点、最大流量点和最大功率点。
（ 2）对合理地选择系统的主机回路有知道意义。
结束
§ 11-2 拟定液压系统原理图一、执行元件的类型二、调速方案三、控制方案四、系统安全可靠性五、节约能量六、其它一、执行元件的类型根据主机部件所要求的运动形式，确定采用液压缸还是液压马达作为执行元件。主机要求往复运动，则选用液压缸；主机要求连续的旋转运动，则应选用液压马达。至于液压缸或液压马达的具体结构形式，可参照第三、四章提出的原则选用。实际上它们的选用还和工厂的惯例以及货源有关。
二、调速方案调速方案主要是根据调速范围、功率大小、
低速稳定性、允许的温升以及投资的多少等因素来考虑选用。节流调速结果简单，投资少，
调速范围大，低速稳定性好，但系统效率低。
故在功率不大，温升限制不严的情况下优先考虑。在功率较大的中高压系统中，以采用容积调速为宜。但在某些功率不大的系统中，也常用容积调速。如果同时对低速稳定性有较高要求，则可采用容积节流调速。
三、控制方案控制方式主要根据主机工艺要求来确定。
执行机构较多的工程机械、工程船舶以及起重机械等设备则可采用多路阀。一般说来行程控制动作可靠，是一种最通用的控制方式；合理地使用压力控制可以简化系统，但在一个系统内不宜多次使用；时间控制不单独使用，往往和行程或压力控制组合使用。按不同控制方式设计出的系统、其繁简程度可能差别很大。
四、系统安全可靠性拟定液压系统图时，应对系统的安全性和可靠性予以足够的重视。为防止过载，安全阀是必不可少的。为避免垂直运动部件在系统失压情况下自由下落，在回油路中增加平衡阀或液控单向阀是常用措施。用于起重机的液压马达除了有平衡回路外，还有机械制动装置以确保安全。在用一个泵供给两个以上执行元件运动时，系统设计中应防止互相干扰。在系统中合理地配置滤油器，是其长期工作重要保证。
五、节约能量容积调速固然减少能耗，但双泵供油及增加蓄能器等也能达到相当好的效果。为了减少能耗，有时需增加一些投资，但考虑到长期运行所需的费用及社会效益，这样做仍是可取的。
六、其它如尽量采用标准元件以缩短设计和制造周期降低成本等。
结束
§ 11— 3 计算和选择液压元件一、选择液压泵二、选择控制阀三、选取液压附件一、选择液压泵
1、计算液压泵的工作压力泵的工作压力是执行元件工作压力以及管道压力损失之和。对液压马达或两腔工作面积相等的液压缸，则有：
ps=p+p
式中 ps— 泵的工作压力；
p— 液压缸或液压马达的工作压力，由于执行元件回油腔常有压力，实际上 p是压差；
p— 油流经管道和各阀类时的全部压力损失。
对于两腔工作面积不等和液压缸（如图），
则有,
Ps=FL/?cm+pi+(A2/A1)p0
管道中的压力损失包括沿程损失和局部损失两中。而流经各种阀类的压力损失则以局部损失为主，并且它在全部压力损失中占有较大的比重。 管道压力损失在额定流量下流各种阀类的压力损失可由产品样本查得。当流经阀的实际流量为时，
其实际压力损失可按下式估算。
p=?pr(Q/Qr)2
对于压力损失较为准确的估算，只有在系统的阀类元件规格以及管道尺寸选定后才能进行。现阶段只能进行粗细估算。
2、计算泵的流量液压泵的流量 Qp为：
Qp?K(?Q)max
对于节流调速系统，如果最大流量点处于调速状态，则泵的供油量中还要增加溢流阀的最小溢流量。
系统中有蓄能器时，则泵的流量按一个工作循环的平均流量选取，即：
Qp?(K/T),?Qi?tin
i=1
3、选取液压泵规格参照产品样本选取其额定压力比 p，
高 25~60%，其流量与上述计算结果一致的液压泵。
4、计算功率，选用原动机
（ 1）按工作循环中最高功率点选用，即
N=(psQp)max/?p
式中 N— 原动机功率；
(psQp)max— 泵的压力和流量乘积的最大值；
p— 泵的总效率。对齿轮泵取 0.60~0.75，
柱塞泵取 0.80~0.85。
（ 2）如果带动泵的原动机为电动机，而在一个循环中泵的功率变化较大，且最高功率点持续的时间很短，则按前式的计算结果来选电动机，功率就会偏大，不经济。在在这种情况下，
可根据电动机允许的发热来选取电动功率。先算出循环中各阶段所需功率，即：
N1=p1Q1/?p1 N2=p2Q2/?p2
……N n=pnQn/?pn
则电动机功率为：
N=[(N12t1+N22t2+……+N n2tn)/(t1+t2+…… tn)]1/2
将两式的计算结果进行比较，如果最大功率在电动机超载能力范围内（一般为 25%）。
则可按第二式选取电机。
二、选择控制阀一般要求控制阀的额定压力和额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量。必要时，通过的流量可略大于该阀的额定流量，但一般不超过 20%，以避免压力损失过大，引起油液发热、噪声和其它性能恶化。流量阀按系统中流量调节范围来选取，
其最小稳定流量应能满足机器性能的要求。
三、选取液压附件滤油器、蓄能器、和管接头等可按第五章中有关原则选取。选取油管和管接头时比较简便的办法是使它们的通径和阀的通径一致。
油箱既有储油又有散热的作用，因此必须有足够容积和散热面积。油箱容积的推荐数值如下：低压系统（ p<2.5MPa,V=(2~4)Qp
中压系统 (p<6.3MPa),V=(5~7)Qp
中高压系统 (p>6.3MPa),V=(6~12)Qp结束
§ 11— 4 绘制工作图，编写技术文件一、绘制工作图工作图包括：
1、液压系统图图上应注明各种元件的规格、型号以及压力的调整值，画出执行元件完成的工作循环图，列出相应电磁铁和压力继电器的工作状态图。
2、元件集成块装配图通常用板将部分控制元件组合起来，称为集成板。液压件厂生产能完成各种功能的集成块，
设计者只需选用并绘制集成块组合装配图。如没有合适的集成可供选用，则需专门设计。
3、泵站装配图泵、拖动泵的电动机以及油箱等集合在一起构成一个独立的液压源，称为泵站。小型泵站有标准化产品供选用，但大、中型泵站往往需个别设计，需绘出其装配图和零件图。
4、液压缸和其它专用件的装配图的零件图。
5、管路装配图一般只需绘制示意图说明管道走向，但要注明管道尺寸、接头规格和装配技术要求等。
6、电气线路图二、编写技术文件应编写的技术文件包括设计计算书、系统工作原理和操作说明书等。设计计算书中还需对系统的某些性能进行必要的验算。
结束
§ 11— 1 明确设计要求,进行工况分析
§ 11— 2 拟定液压系统原理图
§ 11— 3 计算和选择液压元件
§ 11— 4 绘制工作图，编写技术文件
§ 11— 1 明确设计要求，进行工况分析一、明确设计要求二、工况分析一、明确设计要求液压系统是主机的配套部分，设计液压系统时首先要明确主机对液压系统提出的要求，
具体包括：
1、主机的动作要求这是指主机的哪些动作要求用液压传动来实现，这些动作间有无联系以及要不要完成一定自动循环等。主机可能对液压系统提出许多要求，设计这应在了解主机用途、工作过程和总体布局的基础上对这些要求做出分析。
2、主机的性能要求这是指主机内采用液压传动的各执行机构在力和运动方面的要求。各执行机构在各工作阶段所需的力和速度的大小、调速的范围、速度的平彻性以及完成一个循环的时间等方面都必须有明确的数据。现代化机械要求高精度、
高生产力以及高度自动化，这不仅要求其液压系统具有良好的静态指标，还常对其动态指标提出要求。
3、液压系统的工作环境工作环境的温度和湿度，污染和振动冲击情况以及是否有腐蚀性和易燃性物质存在等问题均应有明确答案。这涉及液压元件和介质的选用。必要时设计中还应附加防护措施。
4、其他要求如液压装置在重量、外形尺寸方面的限制以及经济性、能耗方面的要求等。
二、工况分析工况分析就是分析主机在工作过程中速度和负载的变化规律，即进行运动分析和负载分析。对于动作复杂的机械需绘制速度循环图和负载循环图，简单的系统可以不绘图，但需要找出其最大负载和最大速度点。实际上，工况分析是进一不明确主机在性能方面的要求。
1、运动分析根据工作要求，将主机各执行元件在一个完整的工作循环内各阶段的速度用图表示出来。一般用速度 — 时间（ v-t）或速度 — 位移
（ v-s）曲线表示，称为速度循环图。图 a为组合机床动力滑台的工作循环，图 b是速度 -位移
（ v-s）曲线。
工进快进快退启动 快进 减速 工进 制动制动 反向启动快退
(a)
(b)
2、负载分析根据工况要求，将执行元件在各阶段所需克服的负载用图表示出来。一般用负载 — 时间
（ F-t）或负载 — 位移（ F-s）曲线表示，称为负载循环图。
（ 1）液压缸的负载分析用液压缸带动主机执行机构作直线往复运动时，所需克服的外负载动力为：
FL=F+Ff=Fa
a.工作负载 F
不同机械的工作负载其形式各不同。对于金属切削机床，作用在运动部件运动方向上的切削力是工作负载；而对于提升机械，其重物的重量就是工作负载。工作负载可以是恒定的，
也可以是变化的；可能是正值负载，也可能是负值负载。
b.摩擦阻力负载 Ff
摩擦阻力负载是指主机执行机构在运动时所需克服的支承面上的摩擦力。
Ff=?Ni?i
式中 Ni— 作用在第 i个支承面上的法向力；
i— 该支承面的摩擦系数。
k
i=1
c,惯性负载 Fa
惯性负载是指运动部件启动或制动过程中的惯性力。可按牛顿第二定律计算：
Fa=ma=(G/g).(?v/?t)
液压缸运动时还需克服密封装置的摩擦阻力，其大小与密封形式、液压缸的制造质量和工作压力有关。
计算出工作循环中各阶段的外负载后，便可作出负载循环图。上述组合机床动力滑台的负载循环图如下。
启动 快进 减速 工进 制动快退制动反向制动组合机床滑台负载循环图
（ 2）液压马达负载分析以液压马达为执行元件时，液压马达需克服的外负载为：
ML=M+Mf+Ms
式中 M— 工作负载折合到液压马达上的力矩；
Mf— 执行机构等的摩擦力折合到液压马达上的力矩；
Ms— 执行机构、运动装置和液压马达等在启动和制动时的惯性力折合到液压马达上的力矩的总和。
3、执行元件容量的确定
（ 1）选定工作压力工作压力的选定关系到设计出和系统是否经济合理；工作压力低，则要求执行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系统所需流量也大；
压力过高，则对元件的制造精度和系统的使用维护要求提高，并使容积效率降低。一般是根据机械的类型来选择工作压力。
（ 2）液压缸有效面积的确定从满足负载力的要求出发
A=FL/?cmp
当工作速度很低时，按上式计算出的工作面积不一定能满足最低稳定速度的要求，因此应按最低运动速度来进行验算，即液压缸的有效工作面积应满足下式：
A?Qmin/vmin
如验算结果不能满足要求，则液压缸有效工作面积按上式选取。
（ 3）液压马达每转排量的确定从满足负载力矩的要求出发
q=2?ML/p.?Mm
必要时，也需按最低转速要求进行验算，即
q?Qmin/nmin
4.绘制液压执行元件工况图应绘制的液压执行元件工况图包括压力循环图、流量循环图以及功率循环图。根据负载循环图，将各阶段的负载除以液压缸的面积或液压马达的容量，即可作出流量循环图。在根据 N=pQ可绘制出功率循环图。组合机床动力滑台液压缸的工况图如图。
组合机床执行元件工况图工况图的作用如下：
（ 1）可以很方便地找出最高压力点、最大流量点和最大功率点。
（ 2）对合理地选择系统的主机回路有知道意义。
结束
§ 11-2 拟定液压系统原理图一、执行元件的类型二、调速方案三、控制方案四、系统安全可靠性五、节约能量六、其它一、执行元件的类型根据主机部件所要求的运动形式，确定采用液压缸还是液压马达作为执行元件。主机要求往复运动，则选用液压缸；主机要求连续的旋转运动，则应选用液压马达。至于液压缸或液压马达的具体结构形式，可参照第三、四章提出的原则选用。实际上它们的选用还和工厂的惯例以及货源有关。
二、调速方案调速方案主要是根据调速范围、功率大小、
低速稳定性、允许的温升以及投资的多少等因素来考虑选用。节流调速结果简单，投资少，
调速范围大，低速稳定性好，但系统效率低。
故在功率不大，温升限制不严的情况下优先考虑。在功率较大的中高压系统中，以采用容积调速为宜。但在某些功率不大的系统中，也常用容积调速。如果同时对低速稳定性有较高要求，则可采用容积节流调速。
三、控制方案控制方式主要根据主机工艺要求来确定。
执行机构较多的工程机械、工程船舶以及起重机械等设备则可采用多路阀。一般说来行程控制动作可靠，是一种最通用的控制方式；合理地使用压力控制可以简化系统，但在一个系统内不宜多次使用；时间控制不单独使用，往往和行程或压力控制组合使用。按不同控制方式设计出的系统、其繁简程度可能差别很大。
四、系统安全可靠性拟定液压系统图时，应对系统的安全性和可靠性予以足够的重视。为防止过载，安全阀是必不可少的。为避免垂直运动部件在系统失压情况下自由下落，在回油路中增加平衡阀或液控单向阀是常用措施。用于起重机的液压马达除了有平衡回路外，还有机械制动装置以确保安全。在用一个泵供给两个以上执行元件运动时，系统设计中应防止互相干扰。在系统中合理地配置滤油器，是其长期工作重要保证。
五、节约能量容积调速固然减少能耗，但双泵供油及增加蓄能器等也能达到相当好的效果。为了减少能耗，有时需增加一些投资，但考虑到长期运行所需的费用及社会效益，这样做仍是可取的。
六、其它如尽量采用标准元件以缩短设计和制造周期降低成本等。
结束
§ 11— 3 计算和选择液压元件一、选择液压泵二、选择控制阀三、选取液压附件一、选择液压泵
1、计算液压泵的工作压力泵的工作压力是执行元件工作压力以及管道压力损失之和。对液压马达或两腔工作面积相等的液压缸，则有：
ps=p+p
式中 ps— 泵的工作压力；
p— 液压缸或液压马达的工作压力，由于执行元件回油腔常有压力，实际上 p是压差；
p— 油流经管道和各阀类时的全部压力损失。
对于两腔工作面积不等和液压缸（如图），
则有,
Ps=FL/?cm+pi+(A2/A1)p0
管道中的压力损失包括沿程损失和局部损失两中。而流经各种阀类的压力损失则以局部损失为主，并且它在全部压力损失中占有较大的比重。 管道压力损失在额定流量下流各种阀类的压力损失可由产品样本查得。当流经阀的实际流量为时，
其实际压力损失可按下式估算。
p=?pr(Q/Qr)2
对于压力损失较为准确的估算，只有在系统的阀类元件规格以及管道尺寸选定后才能进行。现阶段只能进行粗细估算。
2、计算泵的流量液压泵的流量 Qp为：
Qp?K(?Q)max
对于节流调速系统，如果最大流量点处于调速状态，则泵的供油量中还要增加溢流阀的最小溢流量。
系统中有蓄能器时，则泵的流量按一个工作循环的平均流量选取，即：
Qp?(K/T),?Qi?tin
i=1
3、选取液压泵规格参照产品样本选取其额定压力比 p，
高 25~60%，其流量与上述计算结果一致的液压泵。
4、计算功率，选用原动机
（ 1）按工作循环中最高功率点选用，即
N=(psQp)max/?p
式中 N— 原动机功率；
(psQp)max— 泵的压力和流量乘积的最大值；
p— 泵的总效率。对齿轮泵取 0.60~0.75，
柱塞泵取 0.80~0.85。
（ 2）如果带动泵的原动机为电动机，而在一个循环中泵的功率变化较大，且最高功率点持续的时间很短，则按前式的计算结果来选电动机，功率就会偏大，不经济。在在这种情况下，
可根据电动机允许的发热来选取电动功率。先算出循环中各阶段所需功率，即：
N1=p1Q1/?p1 N2=p2Q2/?p2
……N n=pnQn/?pn
则电动机功率为：
N=[(N12t1+N22t2+……+N n2tn)/(t1+t2+…… tn)]1/2
将两式的计算结果进行比较，如果最大功率在电动机超载能力范围内（一般为 25%）。
则可按第二式选取电机。
二、选择控制阀一般要求控制阀的额定压力和额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量。必要时，通过的流量可略大于该阀的额定流量，但一般不超过 20%，以避免压力损失过大，引起油液发热、噪声和其它性能恶化。流量阀按系统中流量调节范围来选取，
其最小稳定流量应能满足机器性能的要求。
三、选取液压附件滤油器、蓄能器、和管接头等可按第五章中有关原则选取。选取油管和管接头时比较简便的办法是使它们的通径和阀的通径一致。
油箱既有储油又有散热的作用，因此必须有足够容积和散热面积。油箱容积的推荐数值如下：低压系统（ p<2.5MPa,V=(2~4)Qp
中压系统 (p<6.3MPa),V=(5~7)Qp
中高压系统 (p>6.3MPa),V=(6~12)Qp结束
§ 11— 4 绘制工作图，编写技术文件一、绘制工作图工作图包括：
1、液压系统图图上应注明各种元件的规格、型号以及压力的调整值，画出执行元件完成的工作循环图，列出相应电磁铁和压力继电器的工作状态图。
2、元件集成块装配图通常用板将部分控制元件组合起来，称为集成板。液压件厂生产能完成各种功能的集成块，
设计者只需选用并绘制集成块组合装配图。如没有合适的集成可供选用，则需专门设计。
3、泵站装配图泵、拖动泵的电动机以及油箱等集合在一起构成一个独立的液压源，称为泵站。小型泵站有标准化产品供选用，但大、中型泵站往往需个别设计，需绘出其装配图和零件图。
4、液压缸和其它专用件的装配图的零件图。
5、管路装配图一般只需绘制示意图说明管道走向，但要注明管道尺寸、接头规格和装配技术要求等。
6、电气线路图二、编写技术文件应编写的技术文件包括设计计算书、系统工作原理和操作说明书等。设计计算书中还需对系统的某些性能进行必要的验算。
结束
